数控机床原理、结构与维修第9章

1、普通机床普通机床数控化改造数控化改造学习目的与要求学习目的与要求n了解机床数控改造的条件和原则；了解机床数控改造的条件和原则；n理解机床数控改造的方向和途径；理解机床数控改造的方向和途径；n了解机床改造的一般步骤；了解机床改造的一般步骤；n掌握数控改造主要技术方案的选择；掌握数控改造主要技术方案的选择； n了解车床和铣床的数控改造方法。了解车床和铣床的数控改造方法。学习导引示例学习导引示例 C616型卧式普通车床的数控化改造型卧式普通车床的数控化改造n n n目前我国机床的拥有量约为目前我国机床的拥有量约为400万台，其中万台，其中40以上是车床，而且多数役以上是车床，而且多数役龄都很长。采用

2、价格较低、性能适宜的经济型数控系统，容易实现对一般卧龄都很长。采用价格较低、性能适宜的经济型数控系统，容易实现对一般卧式车床的改造，而且经济效果也比较明显。这种改造方法在许多工厂都已获式车床的改造，而且经济效果也比较明显。这种改造方法在许多工厂都已获得成功。以下通过介绍普通机床数控化改造方法来进行得成功。以下通过介绍普通机床数控化改造方法来进行C 6 1 6型卧式车床的型卧式车床的数控化改造，如图数控化改造，如图9-1所示改造后的车床传动系统。所示改造后的车床传动系统。图图9-1 改造后的车床传动系统改造后的车床传动系统n机床的技术改造是以应用新的技术，特别是微电子技术的成就机床的技术改造是以

3、应用新的技术，特别是微电子技术的成就和先进经验，改变原有机床的结构，装上或更换新部件、新附件、和先进经验，改变原有机床的结构，装上或更换新部件、新附件、新装置，或将单台机组成流水线、自动线所采取的技术措施，以新装置，或将单台机组成流水线、自动线所采取的技术措施，以补偿机床的有形磨损和无形磨损。补偿机床的有形磨损和无形磨损。 n9.1.1 机床数控改造的条件机床数控改造的条件n (1) 机床基础件必须有足够的刚性。数控机床属于高精度机机床基础件必须有足够的刚性。数控机床属于高精度机床，工件或刀具的移动精度要求很高。如果基础件刚性不好则受床，工件或刀具的移动精度要求很高。如果基础件刚性不好则受力后

4、容易变形，这种变形具有不确定性，无法用数控系统的补偿力后容易变形，这种变形具有不确定性，无法用数控系统的补偿机能进行补偿。机能进行补偿。n (2) 改造费用合适、经济性好。机床改造费用分为机床与电改造费用合适、经济性好。机床改造费用分为机床与电气两部分。改造费用与原机床。零件的利用率有关也与采用何气两部分。改造费用与原机床。零件的利用率有关也与采用何种数控系统有关。出于经济上的考虑，目前国内除重型机床和有种数控系统有关。出于经济上的考虑，目前国内除重型机床和有特殊要求的机床外，通常均采用功率步进电动机驱动的经济型数特殊要求的机床外，通常均采用功率步进电动机驱动的经济型数控系统进行机床改造。改造

5、总费用要因用户而异。一般来说，如控系统进行机床改造。改造总费用要因用户而异。一般来说，如果不超过同类规格设备价格的一半，在经济上就算合适。果不超过同类规格设备价格的一半，在经济上就算合适。n 9.1 机床改造概述机床改造概述n 机床数控改造要遵循针对性、先进适用性、可能性和经济的原则。机床数控改造要遵循针对性、先进适用性、可能性和经济的原则。n9.1.3 机床数控改造的方向和途径机床数控改造的方向和途径n 推广应用数控及微机、数显、可编程控制器。静压推广应用数控及微机、数显、可编程控制器。静压(静动压静动压)技术改技术改造机床，重点是改造大型、中型机床，精密、关键技术和在生产中起重造机床，重点

6、是改造大型、中型机床，精密、关键技术和在生产中起重要作用的中小型机床。要作用的中小型机床。n 普通车床、磨床、齿轮加工机床，可采用数控技术及微机加以改造。普通车床、磨床、齿轮加工机床，可采用数控技术及微机加以改造。加工一定批量的轴、套、盘类零件的小型机床，一般可选用单片机控制加工一定批量的轴、套、盘类零件的小型机床，一般可选用单片机控制步进电动机的经济型数控系统加以改造。步进电动机的经济型数控系统加以改造。n 大批量流水线生产的自动线，自动、半自动机床和一些专用、高效大批量流水线生产的自动线，自动、半自动机床和一些专用、高效精密机床，可用一位机等组成可编程控制器加以改造。精密机床，可用一位机等

7、组成可编程控制器加以改造。n 大中型、重型机床改造时重复利用形状复杂、吨位重的基础件，如大中型、重型机床改造时重复利用形状复杂、吨位重的基础件，如底座、工作台、床身、立柱、横梁等，大大缩短改造周期，降低成本费底座、工作台、床身、立柱、横梁等，大大缩短改造周期，降低成本费用。可安装数显装置用。可安装数显装置(感应同步器、光栅等感应同步器、光栅等)加以改造。对于需要解决零加以改造。对于需要解决零件加工定位精度和进给精度的镗床、车床、铣床、磨床、钻床等，一般件加工定位精度和进给精度的镗床、车床、铣床、磨床、钻床等，一般用数显技术改造。这在国外已被广泛采用，并取得了良好的效果。用数显技术改造。这在国外

8、已被广泛采用，并取得了良好的效果。 n9.1.2 机床数控改造的原则机床数控改造的原则运作运作n (1) 明确微机改造的任务和目标。明确微机改造的任务和目标。n (2) 总体方案设计。总体方案设计。 n (3) 设计计算及结构改装。设计计算及结构改装。n (4)绘制机床改装零件图和完成机床数控改造的所有技术资绘制机床改装零件图和完成机床数控改造的所有技术资料。料。n (5) 制造、安装、调试。制造、安装、调试。n （6）设备投产后要及时总结。）设备投产后要及时总结。 n9.1.4 机床数控改造的一般步骤机床数控改造的一般步骤n 9.2.1 数控改造主要技术方案的选择数控改造主要技术方案的选择n

9、 (1) 数控系统数控系统:经济型数控系统具有结构简单，操作方便，技术经济型数控系统具有结构简单，操作方便，技术容易掌握及制造成本低等优点，在中、小型机床数控化改装中应用容易掌握及制造成本低等优点，在中、小型机床数控化改装中应用较多。较多。只有需要进行轮廓控制的场合，才需选用具有联动功能的数只有需要进行轮廓控制的场合，才需选用具有联动功能的数控系统。例如，改装钻床时，可选用两个控制轴的点位数控系统控系统。例如，改装钻床时，可选用两个控制轴的点位数控系统. n （2）控制方式）控制方式 :开环系统无位置检测反馈装置，该控制方式投资开环系统无位置检测反馈装置，该控制方式投资少，安装调试方便，因此，

10、适用于精度要求一般的中小型机床改装。少，安装调试方便，因此，适用于精度要求一般的中小型机床改装。半闭环控制方式控制精度较高，半闭环控制方式控制精度较高，且多以直流、且多以直流、n 交流伺服电动机为驱动元件，速度也比开环控制方式高，适用于控交流伺服电动机为驱动元件，速度也比开环控制方式高，适用于控制精度要求高的大、中型机床的改装。制精度要求高的大、中型机床的改装。 n （3）伺服驱动元件）伺服驱动元件 :在机床数控化改装中常用的驱动元件有步进在机床数控化改装中常用的驱动元件有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。 n n 9.2 机床的经济型数控技术

11、改造机床的经济型数控技术改造三种不同生产类型的生产管理特点三种不同生产类型的生产管理特点 n（4）主运动变速）主运动变速n 1) 主传动系统主传动系统:对普通机床进行数控改造时，一般可保留原有的主传对普通机床进行数控改造时，一般可保留原有的主传动系统和变速操纵机构。动系统和变速操纵机构。 如果要提高机床的自动化程度，可用双速和如果要提高机床的自动化程度，可用双速和四速电动机代替原机床的主电动机。经济型数控车床加工螺纹或丝杠时，四速电动机代替原机床的主电动机。经济型数控车床加工螺纹或丝杠时，需配置主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件需配置主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件.n

12、2) 进给传动系统进给传动系统 经济型数控车床，适用微机控制的步进电动机来执经济型数控车床，适用微机控制的步进电动机来执行机床的进给运动。为使进给传动链最短，步进电动机应与进给运动的行机床的进给运动。为使进给传动链最短，步进电动机应与进给运动的丝杠联接丝杠联接.n3) 自动回转刀架的安装快速准确的换刀是每台数控机床所必须具备的自动回转刀架的安装快速准确的换刀是每台数控机床所必须具备的功能功能n(5) 机械系统机械系统 n1) 导轨副导轨副 在原动导轨上粘接上聚四氟乙烯导轨软带，能有效的防止在原动导轨上粘接上聚四氟乙烯导轨软带，能有效的防止爬行，具有自润滑性，提高导轨寿命爬行，具有自润滑性，提高

13、导轨寿命 . n2) 传动元件传动元件 凡希望角位移和实现位移精确转换的场合大多是用滚凡希望角位移和实现位移精确转换的场合大多是用滚珠丝杠副。珠丝杠副。 n n9.3 C616型卧式普通车床的数控化改造实例型卧式普通车床的数控化改造实例n1. 总体方案设计总体方案设计n (1) 设计任务。利用微机对设计任务。利用微机对 C616型卧式车床的纵、横向进给型卧式车床的纵、横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.0 1 m m，横向脉冲当量为，横向脉冲当量为0.005 m m，驱动元件采用步进电动机。改造后的机床能完成一般，驱动元件采用步进电动机。改造后的机床能完

14、成一般车削及加工任意锥面、球面、螺纹等加工工序，并能控制主轴开停变车削及加工任意锥面、球面、螺纹等加工工序，并能控制主轴开停变速、刀架转位及一些辅助功能。速、刀架转位及一些辅助功能。n(2) 总体方案确定。根据设计任务，系统应采用轮廓控制形式。总体方案确定。根据设计任务，系统应采用轮廓控制形式。控制系统硬件由微机部分、键盘及显示器等组成。纵向、横向均采用控制系统硬件由微机部分、键盘及显示器等组成。纵向、横向均采用步进电动机一减速齿轮一滚珠丝杠螺母一溜板的传动方式。刀架更换步进电动机一减速齿轮一滚珠丝杠螺母一溜板的传动方式。刀架更换为四刀位自动回转刀架。改造后的车床传动系统如图为四刀位自动回转刀

15、架。改造后的车床传动系统如图9-1所示。所示。n 2. 机械部分改造设计与计算、机械部分改造设计与计算、n 机械部分设计内容包括：传动元件的设计计算及选用，运动部机械部分设计内容包括：传动元件的设计计算及选用，运动部件的惯性计算，步进电动机的选择等。件的惯性计算，步进电动机的选择等。n 3. 车床改造后的机械结构特点车床改造后的机械结构特点n tTKMCSRtT/n(1) 主传动系统主传动系统 为保留原有的主传动系统和变速操纵机构，为保留原有的主传动系统和变速操纵机构，保留机床的原有功能，简化改造量，只选择了功率大一些的电保留机床的原有功能，简化改造量，只选择了功率大一些的电动机。动机。n(2

16、) 进给传动系统进给传动系统 它包括纵向进给系统、横向进给系统和它包括纵向进给系统、横向进给系统和导轨副等。导轨副等。 纵向进给系统纵向进给系统 拆除原进给箱，在原机床进给箱的位置安拆除原进给箱，在原机床进给箱的位置安装齿轮箱体，在原丝杠位置安装纵向给滚珠丝杠。纵向滚珠丝装齿轮箱体，在原丝杠位置安装纵向给滚珠丝杠。纵向滚珠丝杠采用三点支撑形式。步进电动机的布置，可放在丝杠的一端。杠采用三点支撑形式。步进电动机的布置，可放在丝杠的一端。可在滚珠丝杠的左端设计一个专用轴承支撑座，而在丝杠托架可在滚珠丝杠的左端设计一个专用轴承支撑座，而在丝杠托架处布置步进电动机和减速箱。车床纵向传动的支撑结构如图处

17、布置步进电动机和减速箱。车床纵向传动的支撑结构如图9-5所示。所示。n图图9-5 车床纵向传动的支撑结构车床纵向传动的支撑结构n1、4一推力球轴承一推力球轴承 2、1 0一径向滑动轴承一径向滑动轴承 3一左端轴承座一左端轴承座 5一左接杆一左接杆 6、9一联轴套；一联轴套；n 7一滚珠丝杠螺母副一滚珠丝杠螺母副 8一螺母座一螺母座 11一丝杠托架一丝杠托架 12一消隙减速箱一消隙减速箱 13一步进电动机一步进电动机图图9-6 车床横向传动的支撑结构车床横向传动的支撑结构1一步进电动机一步进电动机 2一消隙减速箱一消隙减速箱 3一支撑架一支撑架 4、5、8一联轴套一联轴套 6一滚珠丝杠螺母副一滚

18、珠丝杠螺母副 7一螺母座一螺母座 9一支承短轴一支承短轴n 横向进给系统横向进给系统 横向进给系统的横向滚珠丝杠也采用三点支撑横向进给系统的横向滚珠丝杠也采用三点支撑形式。步进电动机都安装在床鞍的后部。在靠近操作者一端，布置形式。步进电动机都安装在床鞍的后部。在靠近操作者一端，布置一根支撑短轴，通过一个联轴套与滚珠丝杠连接起来。利用车床原一根支撑短轴，通过一个联轴套与滚珠丝杠连接起来。利用车床原横向进给丝杠的滑动轴套作为径向支撑，并对原支撑处进行适当改横向进给丝杠的滑动轴套作为径向支撑，并对原支撑处进行适当改装，布置一对推力球轴承，以实现轴向支撑。在远离操作者的一端，装，布置一对推力球轴承，以

19、实现轴向支撑。在远离操作者的一端，用一个联轴套和一根连接短轴把滚珠丝杠与减速箱输出轴连接起来。用一个联轴套和一根连接短轴把滚珠丝杠与减速箱输出轴连接起来。滚珠螺母直接同定在中滑板上。车床横向传动的支撑结构如图滚珠螺母直接同定在中滑板上。车床横向传动的支撑结构如图9-6所示。所示。 导轨副导轨副 床鞍和刀架移动部件的导轨上可粘贴摩擦系数低的床鞍和刀架移动部件的导轨上可粘贴摩擦系数低的聚四氟乙烯软带。聚四氟乙烯软带。 (3) 挂轮箱。拆除原挂轮箱，在此位置安装主轴编码器。同轴安装方式如图9-7所示，连接方式如图9-8所示。 图图9-7 同轴安装方式同轴安装方式 图图9-8 连接方式连接方式 n (

20、4) 安装电动盘。为了提高经济犁数控车床的加工效率，还可考虑安装电动三爪自定心卡盘装置。这种装置可与数控装置的收发信电路相配合，实现自动夹紧、松开动作以提高加工过程的自动化程度。n (5) 自动回转刀架的安装。采用LD4系列电动刀架取代原手动四方刀架，n如图9-9所示。刀架的定位过程如下：系统发生换刀信号刀架电动机正转刀台上升并转位刀架到位发出信号刀架电动机反转初定位精定位夹紧刀架电动机停转换刀应答。刀架的到位信号由刀架定轴上二端的4个霍尔开关和永久磁铁检测获得。4个霍尔开尔分别为4个刀位的位置，当刀台旋转时，带动磁铁一起旋转。当到达规定刀位时，通过霍尔行关输出到位信号。n 图图9-9 LD4

21、系列电动刀架系列电动刀架n 1一罩壳一罩壳 2一刀台一刀台 3一刀架座一刀架座 4一刀架电动机一刀架电动机 5一霍尔开关一霍尔开关 6一永久磁铁一永久磁铁【 实例实例9-19-1】 加工双人字槽经济型数控铣床改造实例加工双人字槽经济型数控铣床改造实例n在普通铣床上用常规方法是无法对图在普通铣床上用常规方法是无法对图9-10所所示人字槽零件进行加工的。普通机床选用了示人字槽零件进行加工的。普通机床选用了X62W铣床进行改造。铣床回转盘可用来扩铣床进行改造。铣床回转盘可用来扩大机床功能，将铣刀水平装入主轴大机床功能，将铣刀水平装入主轴7：24孔孔即可免去繁琐改造垂直方向机构和所需力矩即可免去繁琐改

22、造垂直方向机构和所需力矩大等不足，再配上万能铣头等机床附件，使大等不足，再配上万能铣头等机床附件，使人字槽的轴类及套类零件的加工更加方便。人字槽的轴类及套类零件的加工更加方便。 图图9-10 人字槽零件人字槽零件 2 2故障诊断与维修的步骤和原则故障诊断与维修的步骤和原则n铣床经数控改造后，如图铣床经数控改造后，如图9-11所示，不但可对多种系列的轴套类人字槽所示，不但可对多种系列的轴套类人字槽配合零件进行加工，而且还可以对其它种类的同种零件进行加工，达到一配合零件进行加工，而且还可以对其它种类的同种零件进行加工，达到一机多用的目的。机多用的目的。n 图图9-11 改造后的铣床结构改造后的铣床结构n 1一铣刀一铣刀 2一分度头一分度头n 3、5、6一步进电动机一步进电动机4一支架一支架n 2数控系统的选择数控系统的选择n (1) 数控系统类型的选择数控系统类型的选择 系统应具有系统应具有编程、空行程、回零、手动、自动、编程、空行程、回零、手动、自动、MDI方式及方式及G功能、功能、M功能、功能、T功能、刀具半径功能、刀具半径补偿、平面设定、尖角过渡等功能。